中国空间站创9.7皮开尔文低温纪录

中国科学院空间应用工程与技术中心近日宣布，中国科学家团队依托中国空间站梦天舱内的超冷原子物理实验柜，成功将铷原子云的等效温度降至9.7皮开尔文。这一成果较室温降低了14个数量级，并实现了持续7秒的稳定观测，刷新了人类已知的最低温度纪录。相关论文《太空中低于10皮开尔文的量子气体》已于北京时间11月6日凌晨在国际学术期刊《科学》上线发表。

微重力环境突破地面极限

此次实验之所以能取得突破，关键在于空间站的微重力环境。在地面实验中，重力会导致原子云迅速下坠，为了维持原子悬浮，必须施加更强的束缚场，而束缚场本身会引入额外能量，从而限制温度进一步降低，地面类似实验的稳定观测时间通常仅为0.05秒左右。相比之下，空间站的微重力条件允许原子云近乎自由漂浮，仅需极弱的光学约束即可实现深度冷却，不仅大幅提升了冷却效率，还显着延长了观测窗口。

中国团队此次采用的技术路线为全光阱冷却，这与国际同行惯用的原子芯片磁阱方案不同。全光阱利用聚焦激光束构建势阱，对磁场干扰不敏感，且更适配后续的光晶格实验，具有更强的扩展能力。尽管该方案在空间环境中实现多光束精确控制的难度更大，但其工程可靠性与科学扩展性优势明显。此前的低温纪录由德国科研团队于2021年创造，当时基于原子芯片磁阱方案将铷原子云冷却至38皮开尔文，自由膨胀时间约为2秒。中国团队将这一数字压低至约四分之一，观测时间也延长至7秒。

十五年攻关集成“超级冰箱”

这一成果背后是长达15年的技术攻关。项目于2011年开始论证，2022年研制成功并随梦天舱发射入轨。科研人员将原本占地约20立方米、重达10吨的地面实验装置，压缩至0.7立方米、约500公斤，装入空间站实验柜中。这一过程涉及超高真空获取、高功率光纤激光器、精密光学对准等多环节的技术突破。二十余束激光需汇聚到直径仅几十微米的原子云上，对准误差控制在5微米以内，约为一根头发丝直径的十分之一，同时满足航天级高集成、低功耗与可靠性要求。

在接近绝对零度的条件下，铷原子云进入玻色-爱因斯坦凝聚态，原本无序热运动的原子呈现出宏观量子行为。论文摘要显示，此次制备的凝聚体包含约2.0×10⁴个原子，等效温度的不确定度范围为9.7（+3.2/−2.7）皮开尔文，这是首次在微重力环境下利用全光阱实现量子简并气体。

诺贝尔物理学奖得主、美国麻省理工学院物理系教授沃尔夫冈·克特勒评价称，这是超冷原子领域的一项重大成就，为原子温度测量和精密测量提供了很好的起点。《科学》审稿人也认为，该工作代表了超低温膨胀领域的最高水平，是超冷原子精密操控的重要里程碑。

这一突破不仅有助于研究极低温量子气体的相变、非平衡动力学与多体关联等基础物理问题，推动早期宇宙模拟、超轻暗物质探测等前沿方向，还能为研制更高精度的原子干涉仪、量子传感器与空间时频基准提供支撑，服务于重力场测量、惯性导航及基本物理常数检验，提升中国在空间量子科技领域的国际竞争力。